光學(xué)知識(shí)和其它知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用 河北省雞澤縣第一中學(xué) 吳社英 此類問(wèn)題要正確分析物理情景,尋找光學(xué)知識(shí)和其它知識(shí)的結(jié)合點(diǎn),充分利用已知條件和題中信息,結(jié)合物理情景進(jìn)行解題。
例1、一水平放置的圓盤(pán)繞豎直固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在圓盤(pán)上沿半徑開(kāi)有一條寬度為2mm的均勻狹縫。將激光器與傳感器上下對(duì)準(zhǔn),使二者間連線與轉(zhuǎn)軸平行,分別置于圓盤(pán)的上下兩側(cè),且可以同步地沿圓盤(pán)半徑方向勻速移動(dòng),激光器連續(xù)向下發(fā)射激光束。在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)狹縫經(jīng)過(guò)激光器與傳感器之間時(shí),傳感器接收到一個(gè)激光信號(hào),并將其輸入計(jì)算機(jī),經(jīng)處理后畫(huà)出相應(yīng)圖線。圖(a)為該裝置示意圖,圖(b)為所接收的光信號(hào)隨時(shí)間變化的圖線。橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示接收到的激光信號(hào)強(qiáng)度,圖中Δt1=1.0×10-3s,Δt2=0.8×10-3s。
⑴利用圖(b)中的數(shù)據(jù)求1s時(shí)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;
?、普f(shuō)明激光器和傳感器沿半徑移動(dòng)的方向;
?、乔髨D(b)中第三個(gè)激光信號(hào)的寬度Δt3。
解題思路:由圖(b)可以看出圓盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),因狹縫寬度一定,,可分析出激光器和傳感器沿半徑移動(dòng)的方向。因很小,在激光穿過(guò)狹縫期間,激光器和傳感器位置不變,根據(jù)相鄰兩次接收激光時(shí),激光器和傳感器與轉(zhuǎn)軸距離差一定即可求出。
解答:(1)由圖線讀得,轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T=0.8 s
角速度rad/s
(2)激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng)(理由為:由于脈沖寬度在逐漸變窄,表明光信號(hào)能通過(guò)狹縫的時(shí)間逐漸減少,即圓盤(pán)上對(duì)應(yīng)探測(cè)器所在位置的線速度逐漸增加,因此激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng))。
(3)設(shè)狹縫寬度為d,探測(cè)器接收到第i個(gè)脈沖時(shí)距轉(zhuǎn)軸的距離為,第i個(gè)脈沖的寬度為,激光器和探測(cè)器沿半徑的運(yùn)動(dòng)速度為,
由上式解得
小結(jié):本題是圓盤(pán)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)和激光器和傳感器沿半徑方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的綜合。解決問(wèn)題的關(guān)鍵是抓住兩種運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)即相鄰兩次接收激光時(shí),激光器和傳感器與轉(zhuǎn)軸距離差一定來(lái)求出。
例2、如圖所示,相距d的A、B兩平行金屬板足夠大,板間電壓為U,一束波長(zhǎng)為的激光照射到B板中央,光斑的半徑為r。B板發(fā)生光電效應(yīng),其逸出功為W,已知電子質(zhì)量為m,電量e,求:
(1)B板中射出的光電子的最大初速度的大小。
(2)光電子所能到達(dá)A板區(qū)域的面積。
解題思路:先根據(jù)光電效應(yīng)方程求出光電子的最大初速度的大小,在B板中央,半徑為r的范圍內(nèi)都有沿不同方向速度大小的電子射入勻強(qiáng)電場(chǎng),只有沿與B板平行方向以最大速度出來(lái)的電子才打得更遠(yuǎn)。
解答:(1)根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程
mv2=+W
解得
(2)由對(duì)稱性可知,光電子到達(dá)A板上的區(qū)域是一個(gè)圓。該圓的半徑由從B板上光斑邊緣,以最大初速度沿平行于極板方向飛出的光電子到達(dá)A板上的位置決定。設(shè)光電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t沿板方向的運(yùn)動(dòng)距離為L,則其加速度為:。
垂直于極板方向:
平行于極板方向:L=vt
光電子到達(dá)A板上區(qū)域最大面積S=(L+r)2。
解
小結(jié):光電效應(yīng)現(xiàn)象中發(fā)出的光電子可以在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),這就是物理光學(xué)和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的結(jié)合點(diǎn)。這類問(wèn)題實(shí)質(zhì)上還是帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,多為在電場(chǎng)中的類平拋,在磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。解決問(wèn)題的關(guān)鍵是抓住兩種運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及處理方法。 |
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